Er wordt een protocol gepresenteerd om de tijdsevolutie van het neurale meevoering op externe repetitieve stimuli te beoordelen. Steady-State opnames van dezelfde experimentele conditie worden verworven en gemiddeld in de tijd-domein. De steady-state dynamiek wordt geanalyseerd door de respons amplitude te plotten als functie van de tijd.
Neurale meevoering verwijst naar de synchronisatie van neurale activiteit naar de perioverplaats van sensorische stimuli. Deze synchronisatie definieert het genereren van steady-state Evoked responsen (d.w.z. oscillaties in het elektroencephalogram fase-vergrendeld aan de drijvende stimuli). De klassieke interpretatie van de amplitude van de steady-state Evoked reacties veronderstelt een stereotiepe tijd invariante neurale respons plus willekeurige achtergrond schommelingen, zodanig dat het gemiddelde over herhaalde presentaties van de stimulus herstelt de stereotiepe antwoord. Deze benadering negeert de dynamiek van de stationaire toestand, zoals in het geval van de aanpassing die wordt opgewekt door langdurige blootstellingen aan de stimulus. Om de dynamiek van steady-state reacties te analyseren, kan worden aangenomen dat de tijdsevolutie van de respons amplitude hetzelfde is in verschillende stimulatie runs gescheiden door voldoende lange pauzes. Op basis van deze veronderstelling wordt een methode gepresenteerd om de tijds ontwikkeling van steady-state responsen te karakteriseren. Een voldoende groot aantal opnames wordt verkregen als reactie op dezelfde experimentele aandoening. Experimentele runs (opnames) zijn gemiddeld op kolom wijze (d.w.z. runs worden gemiddeld, maar het tijdperk binnen opnames worden niet gemiddeld met de voorgaande segmenten). De kolom-Wise middeling maakt analyse van steady-state responsen in opnames met opvallend hoge signaal-ruis verhoudingen mogelijk. Daarom biedt het gemiddelde signaal een nauwkeurige weergave van de tijdsevolutie van de steady-state respons, die kan worden geanalyseerd in zowel de tijd-als de frequentie domeinen. In deze studie, een gedetailleerde beschrijving van de methode is voorzien, met behulp van steady-state visueel Evoked mogelijkheden een voorbeeld van een reactie. Voordelen en voorbehoud worden geëvalueerd op basis van een vergelijking met enkele trial methoden ontworpen voor het analyseren van neurale entrainment.
Wanneer opgenomen van de hoofdhuid, hersenen elektrische activiteit wordt waargenomen als continue en regelmatige veranderingen in spanningen na verloop van tijd. Deze elektrische activiteit heet elektro-encefalogram (EEG) en werd voor het eerst beschreven door Hans Berger in de late twintigers van de vorige eeuw1. Daaropvolgende zaad studies beschreven het EEG als een samengestelde tijdreeks, waarin verschillende ritmische of repetitieve patronen kunnen worden waargenomen2,3,4. Tegenwoordig is het EEG meestal onderverdeeld in vijf gevestigde frequentiebanden, Delta, theta, alpha, Beta en gamma, die worden geassocieerd met het verschillende sensorische en cognitieve proces.
Jarenlang was de studie van hersen oscillaties met behulp van EEG beperkt tot ofwel analyse van het spectrum in de lopende activiteit of veranderingen in oscillatoire activiteit opgewekt door niet-periodieke sensorische gebeurtenissen. In de afgelopen decennia zijn verschillende methodologieën geïmplementeerd voor het moduleren van lopende EEG-oscillaties en het onderzoeken van de effecten van dergelijke modulaties op perceptuele en cognitieve processen, waaronder de presentatie van ritmische sensorische stimulatie voor inducerende neurale entrainment. De term neurale meevoering verwijst naar de synchronisatie van neurale activiteit met de periodieke eigenschappen van zintuiglijke stimuli. Dit proces leidt tot de opwekking van steady-state Evoked mogelijkheden (dat wil zeggen, EEG oscillaties vergrendeld aan de periodieke eigenschappen van de drijvende stimuli). Steady-State Evoked mogelijkheden worden meestal opgewekt door visuele, auditieve en vibrotact iele stimulatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van voorbijgaande prikkels die worden gepresenteerd met een constante snelheid of continue stimulatie, gemoduleerd in amplitude bij de frequentie van de interesse. Overwegende dat somatosensorische steady-state Evoked mogelijkheden (ssseps) worden geregistreerd als reactie op een repetitieve tactiele stimulatie van5,6, Steady-State visueel Evoked mogelijkheden (ssveps) worden over het algemeen opgewekt door de periodieke presentatie van de luminantie flikkert, Foto’s en gezichten7,8. Auditieve steady-state Reacties (assrs) worden meestal gegenereerd door treinen van voorbijgaande akoestische stimuli of door de continue presentatie van amplitude-gemoduleerde tonen9,10.
De extractie van steady-state Evoked mogelijkheden uit de gemeten EEG is in wezen gebaseerd op middeling vervolgens verworven EEG tijdperken tijd vergrendeld aan de stimulus11. Vanwege de periodiciteit van de antwoorden, kunnen ze worden geanalyseerd in zowel tijd-als frequentie domeinen. Na de frequentie-domein transformatie wordt de sensorische respons waargenomen als pieken van amplitude bij de presentatie snelheid of modulatie frequentie van de externe stimuli en hun corresponderende harmonischen. Deze procedures (tijd-domein gemiddelden en de daaropvolgende frequentie-domein transformatie) zijn essentieel voor de ontwikkeling van een hoortest op basis van de detectie van ASSR-methoden met klinische doeleinden12,13,14 ,15,16.
Bovendien, de klassieke tijd-domein gemiddelde van EEG-tijdperken is zeer nuttig voor het analyseren van fysiologische processen zoals het genereren en het uitsterven van ssvep17,18geweest. Met opeenvolgende treinen van lichten en gemiddelde daaropvolgende tijdperken binnen een opname, merkte Wacker et al.19 op dat de fase-vergrendelings index van de SSVEP snel toenam tijdens de eerste 400 MS van stimulatie en daarna hoog bleef . Ze rapporteerden ook dat een robuuste visuele meevoering werd vastgesteld tussen 700-1 100 MS na het begin van de stimulus. Een zekere mate van meevoering bleef werkzaam na de offset van de stimulatie trein, die ongeveer drie perioden van de oscillatoire respons17,19duurde. Dit gedrag is geïnterpreteerd als het boeiende/ontnemende effect van de waargenomen oscillaties, wat een gevolg is van de niet-lineaire informatieverwerking in het menselijke visuele systeem17. Als alternatief, het is bekend dat onder bepaalde experimentele omstandigheden, de flikkering stimulatie kan ontlokken op-reacties aan het begin, en off-reacties aan het einde van de stimulatie treinen in plaats van neurale meevoering18.
De belangrijkste aanname aan de gemiddelde opeenvolgend verworven EEG-tijdperken is dat het EEG-signaal een lineaire combinatie van de sensorische respons en het achtergrondlawaai20vertegenwoordigt. Bovendien wordt verondersteld dat de amplitude, frequentie en fase van de oscillatoire respons stationair zijn, terwijl het achtergrondgeluid wordt beschouwd als een willekeurige activiteit. Echter, in gevallen waarin niet aan deze veronderstelling wordt voldaan, de respons amplitude berekend na verschillende tijdperken niet noodzakelijkerwijs overeenkomen met de momentane amplitude van het opgeroepen potentieel.
Het is onlangs gemeld dat de ASSR gegenereerd in de hersenstam van ratten zich aanpast aan de continue presentatie van amplitude-gemoduleerde tonen (dat wil zeggen, de respons amplitude daalt exponentieel na verloop van tijd)21,22. Aanpassing is geïnterpreteerd als een neurale mechanisme dat het verlies van nieuwheid van een monotoon repetitieve zintuiglijke stimulus weerspiegelt, waardoor de gevoeligheid voor relevante schommelingen in de akoestische omgeving wordt vergroot23,24. In de auditieve route kan aanpassing het spraakbegrip in lawaaierige omgevingen verbeteren. Bovendien kan dit proces deel uitmaken van bestaande mechanismen om de auditieve feedback van iemands eigen stem te controleren om de spraakproductie te beheersen.
Het analyseren van de tijd evolutie van de 40 Hz ASSR bij de mens, van Eeckhoutte et al.25 waargenomen een significante maar kleine afname van de respons amplitude na verloop van tijd (rond-0,0002 μv/s op basis van de groeps analyse, bij het aannemen van een lineaire afname in de tijd). Bijgevolg concludeerden deze auteurs dat de 40 Hz ASSR bij mensen zich niet aanpast aan de stimulatie. Bij de mens zijn niet-stationaire gedragingen waargenomen bij het analyseren van de stabiliteit van de SSVEP26. Deze auteurs hebben opgemerkt dat de amplitude van de fundamentele frequentie en de tweede harmonische van de SSVEP stationair waren in slechts 30% en 66,7% van de proefpersonen die ze testten. De fasen van beide SSVEP frequentiecomponenten, hoewel relatief stabiel na verloop van tijd, tentoongesteld kleine Drifts26.
Hoewel de klassieke tijd-domein middeling van vervolgens verworven tijdperken het verkennen van stationaire eigenschappen van de neurale meevoering mogelijk maakt, moet deze methodologie worden herzien wanneer de lange termijn dynamiek van het meevoering de focus is van de onderzoek, of wanneer het gemiddelde van de kortetermijndynamiek is beschadigd door het optreden van lange termijn dynamiek. Om niet-stationaire gedragingen van de steady-state reacties te karakteriseren, moet de opgeroepen reactie die wordt berekend op een bepaald tijdvenster niet worden aangetast door de antwoorden die in de voorgaande EEG-segmenten zijn berekend. Met andere woorden, het opgeroepen potentieel moet worden geëxtraheerd uit het achtergrondgeluid zonder dat tijd-domein wordt gemiddeld met de voorgaande EEG segmenten.
In deze studie, een methode voor het beoordelen van de dynamiek van neurale meevoering wordt gepresenteerd. Steady-State responsen worden herhaaldelijk opgenomen in reactie op dezelfde stimulatie, waarbij opeenvolgende opnames Interleaved zijn door een rustinterval van drie keer de lengte van de experimentele run. Gezien het feit dat als de tijd evolutie van de fysiologische respons hetzelfde is in verschillende onafhankelijke experimentele runs (onafhankelijke opnames), zijn opnames kolom-verstandig gemiddeld. Met andere woorden, de tijdperken die overeenkomen met dezelfde locatie in de verschillende opnames worden gemiddeld, zonder gemiddelde tijdperken binnen een opname. Bijgevolg zal de respons amplitude die bij een stimulatie interval wordt berekend, overeenstemmen met de momentane amplitude van het opgeroepen potentieel. De zintuiglijke reacties kunnen worden geanalyseerd in de tijd-domein of omgezet in de frequentie-domein, afhankelijk van het doel van het experiment. In ieder geval kunnen de amplituden worden uitgezet als een functie van de tijd om de tijd evolutie van de steady-state respons te analyseren. Het genereren en uitsterven van de steady-state Evoked mogelijkheden kan worden beoordeeld door de analyse te beperken tot de eerste en laatste tijdperken van de opnames.
De dynamiek van de neurale meevoering kan worden geanalyseerd met behulp van andere benaderingen, zoals smalbandfiltering enkelvoudige proef metingen rond de frequentie van belangstelling en het berekenen van de envelop van het stroomsignaal met behulp van low-pass filtering25 en de Hilbert-transformatie27. In vergelijking met deze methodologieën maakt de kolom-Wise middeling van tijdperken het mogelijk om stationaire parameters te berekenen op basis van signalen met de hogere signaal-ruis verhouding (SRV). Onlangs is Kalman filtering ontstaan als een veelbelovende techniek voor de schatting van 40-Hz ASSR amplitudes28,29,30. De implementatie van Kalman filtering kan de detectie van steady-state responsen dichter bij de elektrofysiologische drempel verbeteren en de tijd van de gehoortest29verminderen. Bovendien zijn stationaire responsen niet nodig om te worden verondersteld wanneer een Kalman filtering benadering wordt gebruikt om de ASSR amplitude30te schatten. Niettemin heeft slechts één studie de tijd evolutie van ASSRs geanalyseerd met Kalman filtering25. De conclusie van de studie is dat de 40-Hz ASSR amplitude stabiel is over het stimulatie interval. Daarom moet Kalman filtering worden getest onder omstandigheden waaronder de ASRR niet stilstaat.
Hoewel tijdrovend, de kolom-Wise middelaging methode is model-vrij en hoeft geen initialisatie waarden en/of a priori definities van het lawaai gedrag. Bovendien, aangezien het geen convergentie tijden inhoudt, kan het gemiddelde van de kolom wijzen een betrouwbaardere weergave van het ontstaan van neurale entrainment bieden. Daarom kunnen de resultaten die met de kolom-Wise Middelings methode worden verkregen, worden beschouwd als de grond waarheid voor het analyseren van de dynamiek van het neurale meevoering met behulp van Kalman-filtering.
Deze beschrijving van het protocol is gebaseerd op een voorbeeld van SSVEP. Echter, het is belangrijk op te merken dat de hier gepresenteerde methode is modaliteit-onafhankelijk, zodat het kan ook worden gebruikt voor het analyseren van de tijd evolutie van SSSEP en ASSR.
Dit werk beschrijft een experimentele procedure voor het analyseren van de dynamiek van oscillerende hersen responsen. Een dergelijke methodologie bestaat uit het verwerven van een voldoende aantal onafhankelijke experimentele runs van dezelfde experimentele toestand, en tijd-domein Middelings tijdvakken overeenkomend met hetzelfde tijdvenster in de verschillende opnames (kolommen-Wise middeling in Figuur 1B). De amplitude berekend in de gemiddelde gegevens vertegenwoordigen de momentane amplitude van de oscillatoire respons. Het uitzetten van deze amplituden als functie van de tijd (of het aantal kolommen in de dataset) maakt het mogelijk om de tijdsevolutie van de oscillatoire responstijd te analyseren-vergrendeld aan de stimulatie. Deze methodologie is een wijziging van die voorgesteld door Ritter et al.23 voor het analyseren van de aanpassing van voorbijgaande corticale evoked potentials. De methode is gebruikt voor het analyseren van de dynamiek van auditieve Evoked mogelijkheden in beide mensen24 en dierlijke modellen20,21.
Vanuit methodologisch oogpunt is de combinatie van parameters die worden gebruikt om de steady-state respons te wekken en die geïmplementeerd om de neurale respons van achtergrondruis te extraheren, essentieel om de tijd evolutie van steady-state Evoked mogelijkheden te analyseren 22. de stimulus lengte die in het hier gepresenteerde experiment werd gebruikt (40 s) werd geselecteerd op basis van resultaten die in een pilot studie werden behaald. Deze stimulus-lengte was voldoende voor het analyseren van de aanpassing van ASSR gegenereerd in de rat hersenstam21,22. Bovendien moet de stimulus-lengte de tijd overschrijden waarop de asymptotische momentane band kracht van SSVEPs wordt bereikt (Figuur 1 in Labecki et al.26). Niettemin, de asymptotische momentane band macht van SSVEPs kan worden bereikt dan 60 in sommige gevallen (Figuur 2 in Labecki et al.26). Daarom wordt het uitvoeren van een pilot-studie met een klein monster aanbevolen om de stimulus lengte van de stimulatie te definiëren. Anders wordt een stimulerende lengte langer dan 90 s aanbevolen om een volledige weergave van de tijdsevolutie van de respons te bereiken. Het gebruik van voldoende lange pauzes tussen opeenvolgende opnames impliceert het overwegen van opeenvolgende experimentele runs om statistisch onafhankelijk te zijn (d.w.z. verschillende, onafhankelijke maatregelen van dezelfde variabele). Naar het beste van onze kennis zijn er geen experimenten uitgevoerd om de optimale pauze tussen runs te analyseren (minimale pauze vereist om runs onafhankelijk van elkaar te maken). Het criterium van het gebruik van pauzes ten minste 3x langer dan de stimulus-lengte is conservatief genoeg om ervoor te zorgen dat de steady-state respons opgenomen in een gegeven run niet wordt beïnvloed door de vorige stimulatie.
Onlangs zijn alternerende stimuli (experimentele omstandigheden) voorgesteld als een keuze om de pauze tussen experimentele runs te verminderen, waardoor extra adaptatie effect25wordt vermeden. Evenzo, het aantal experimentele runs (30) geïmplementeerd in dit experimentele protocol is conservatief, omdat de asymptotische RNL en pSNR meestal worden bereikt na gemiddeld 20 experimentele runs, ongeveer. Wanneer prikkels binnen het midden-bovenste gebied van het dynamische bereik van de respons vallen (hoge sensatie niveaus), zijn lagere aantallen runs waarschijnlijk nodig om de dynamiek van de Evoked Response te analyseren. Niettemin is, in gevallen waarin verschillende experimentele omstandigheden worden getest, het hebben van hetzelfde aantal experimentele runs cruciaal voor het maken van vergelijkingen onder omstandigheden (d.w.z. verschillende sensatie niveaus).
Naast de kolom-Wise middeling van tijdperken, is de dynamiek van oscillerende Evoked mogelijkheden geanalyseerd door het filteren van de enkelvoudige metingen in een smalle frequentieband rond de frequentie van belangstelling en het berekenen van de envelop van het vermogen signaal met behulp van low-pass filtering26. Evenzo is er één proef analyse geïmplementeerd om de overgangsperiode te karakteriseren die voorafgaat aan de stabiele regio van SSVEP48, en de veranderingen in amplitude en fase van de ssvep tijdens de stabiele regio van de respons49. Hoewel enkelvoudige proef analyses discriminatie van relatief snelle fluctuaties in respons amplitude mogelijk maken, kunnen experimentele ontwerpen om de gemiddelde respons te analyseren in blokken die gescheiden zijn met een bepaald interval tussen de blokkeringen alleen rekening worden gehouden met lange termijn variaties in de amplitude van de opgeroepen potentiaal50,51. De kolom-Wise middeling van tijdperken staat tussen deze twee opties. Converteren van het gemiddelde signaal naar de frequentie-domein met behulp van de FFT impliceert het analyseren van de dynamiek van de respons met een resolutie die gelijk is aan de lengte van het tijdperk. In het voorbeeld hier gepresenteerd, de SSVEP werd gerapporteerd elke 4 s. Hoewel 4 s van resolutie is voldoende om te beschrijven van de dynamiek die zich voordoet met intervallen van tijd te overtreffen tientallen seconden, zoals die van de SSVEP26, gedeeltelijk overlappende tijdperken in de originele opnames beschrijven de tijdsevolutie van de Steady-State respons op een meer verfijnde manier25.
Dynamiek van de steady-state reacties verkregen na kolom-Wise middeling van tijdperken vertegenwoordigen voornamelijk de evolutie van de oscillerende activiteit die wordt gesynchroniseerd tussen de gemiddelde EEG segmenten (die die het gemiddelde overleven). Daarom is een belangrijk probleem met betrekking tot de haalbaarheid van de methodologie is de mogelijke verzwakking van respons amplituden als gevolg van variaties in de fase van neurale oscillaties van een onafhankelijke experimentele run naar de andere (dat wil zeggen, tussen opnames). Dit onderwerp moet experimenteel worden aangepakt. Echter, bewijs geeft aan dat de fase van de hersenen oscillerende reacties is minder variabel dan verwacht. In feite, verschillende studies hebben gemeld een regelmatigheid in de verwachte fase van de menselijke 80 Hz ASSR47,48,49. Wanneer latenties worden geschat op basis van de fase van de oscillerende activiteit, is het voorspelbare effect van de intensiteit en de draagfrequentie van de akoestische stimuli op de latentie van de auditieve responsen waargenomen (d.w.z. de latentie afname als de verhoging van de intensiteit en de draagfrequentie)52,53,54. Bovendien zijn typische maturatie veranderingen in amplitude en de links-naar-rechts asymmetrie in het gehoor niveau ook waargenomen wanneer latenties worden geschat uit de fase van de ASSR47,55,56 , 57 , 58. bij het beschrijven van de tijd evolutie van SSVEP met behulp van enkelvoudige analyse, merkte labecki et al.26 op dat hoewel de variabiliteit van de respons amplitudes binnen hetzelfde onderwerp aanzienlijk hoog was, de variabiliteit van de fase significant minder uitgesproken.
Op basis van hun waarnemingen suggereerde Labecki et al.26 dat een minimum van 50 proeven moet worden gemiddeld om een betrouwbare schatting te verkrijgen van de gemiddelde vermogens enveloppe van de respons. Deze resultaten geven aan dat, zelfs wanneer de amplitude van de respons wordt berekend in één proef, het gemiddelde (van enveloppen in dat geval) nodig is om betrouwbare resultaten te rapporteren. Bovendien suggereert de intertrial variabiliteit in de amplitude van SSVEP gerapporteerd door Labecki et al.26 suggereren dat de berekening van deze parameter in enkelvoudige proeven sterk kan worden beïnvloed door achtergrondruis. Gezien de evolutie van de signaal-ruis verhouding zoals weergegeven in Figuur 2, vermindert de berekening van de respons in het gemiddelde signaal in plaats van enkelvoudige proeven aanzienlijk het aantal EEG-segmenten dat moet worden verwerkt voor het verkrijgen van betrouwbare Metingen. Bovendien, de lage variabiliteit in fase verkregen door labecki et al.26 steunt het idee dat de kolom-Wise middeling van de tijdperken gepresenteerd hier is een geldige procedure voor het berekenen van de dynamiek van oscillerende evoked potentials.
Het gemiddelde van de gegevens op verschillende niveaus leidt tot een verschillende interpretatie van de resultaten. Met betrekking tot oscillerende evoked potentials, het berekenen van de respons amplitude na de tijd-domein middeling van onafhankelijke runs impliceert het analyseren van alleen tijdvergrendelde oscillaties (dat wil zeggen, degenen die het gemiddelde overleven). Deze procedure kan relevante informatie met betrekking tot de dynamiek van de respons in individuele proeven filteren. Het staat echter garant voor een voldoende hoge signaal-ruis verhouding van de metingen. Dit aspect kan van belang zijn wanneer de responsen dicht bij de elektrofysiologische drempel liggen, een aandoening waarbij de detectie van het meevoering kan worden aangetast door een lage signaal-ruis verhouding van de meting.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs erkennen Lucía Zepeda, Grace A. Whitaker en Nicolas Nieto voor hun bijdragen aan videoproductie. Dit werk werd deels ondersteund door CONICYT Programma’s BASAL FB0008, MEC 80170124 en PhD beurs 21171741, evenals het Nationaal Instituut voor doofheid en andere communicatiestoornissen van de National Institutes of Health onder het awardnummer P50DC015446. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
Active electrodes | Biosemi | P32-1020-32ACMS (ABC) | for channels 1-32 |
Active electrodes | Biosemi | P32-1020-32A (ABC) | for channels 33-64 |
Active electrodes | Biosemi | 8 x TP FLAT | external electrodes |
Active-Two adquisition system | Biosemi | version 7.0 | EEG adquisition system |
alcohol | Salcobrand | Code: 3309011 | for cleaning the scalp |
Electrode cap 64 channels | Biosemi | CAP MS xx yy | cap |
Electrode cap 64 channels | Biosemi | CAP ML xx yy | cap |
gel | Biosemi | SIGNA BOX12 | conductive gel |
Laptop | Asus | Core i7 1TB DD + 128GB SSD 8GB RAM | computer for stimulation |
Laptop | Asus | Core i7 1TB DD + 128GB SSD 8GB RAM | computer for recording |
LED screen | in-house production | – | The screen consists of four light-emitting diodes (LEDs) situated on the center of a 50×50 cm black screen, as vertexes of a square of 5×5 cm |
sterile gauze | Salcobrand | Code: 8730277 | for cleaning the scalp |